（计算机应用技术专业论文）基于java技术的虚拟仪器元件库设计与实现.pdf

f 。 。：j 知 静t ，、 ： 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：受黛整 本人承担一切相关责任。 日期： 丝堕：圣：! l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学 校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：蔓垒塾日期： 导师签名： 五l 圣筮 日期： 曲i o 。苫、1 矗j 小j 。：= 、 ， 弘i 涮 北京邮电大学硕士论文基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 摘要 随着虚拟现实技术的新发展和计算机网络的快速普及，基于网络的 虚拟实验的开发和研究作为远程教育研究的热点，已经受到教育界人士 越来越多的关注。虚拟实验系统在教学领域中的应用很好地促进了教学 方式的改进和教学质量的提高。在传统的实验教学中，很多学校都存在 着资源不足、投资大、见效低、实验环境及过程具有一定的危险| 生等问 题，严重地影响了学生对理论知识的掌握和实验技能的提高。虚拟实验 系统正是为了解决这一问题而开发的。 在虚拟实验教学的过程中，需要对实际教学实验中用来测量的仪器 和仪表：如示波器，函数信号发生器，万用表等进行模拟，在本论文中 称这些仪器为虚拟仪器。本文作者通过对大量参考文献的阅读，发现这 些文章都是在讨论如何使用一些现成的电路分析软件，如 p s p i c e ，e l e c t r o n i cw o r k b e n c h ，q u c s ，而不是自己设计实现一个软件。并 且这些软件不能应用到网络教学中，它们只能是现实课程的辅助工具。 这些软件里的虚拟仪器操作界面也不是很直观，数据结果显示也不明 朗。 本文不仅要实现虚拟仪器在操作界面上与真实的仪器相似，而且在 功能上和实际仪器功能保持一致。根据分析，作者在此基础上提出了虚 拟仪器元件库的概念及其设计与实现。虚拟仪器元件库是指：从虚拟仪 器操作界面分离出来的最基本的元件，然后由这些基本的元件组成的 库。因此在这个概念的基础上，可以将虚拟仪器认为是由虚拟仪器元件 库中的基本元件组合而成，也即本文的创新点所在。作者使用j a v a 技 术，主要采用m v c 设计模式和组合设计模式实现了虚拟仪器元件库，进 而在此基础上实现了虚拟仪器，所实现的虚拟仪器操作界面简单、友好， 测量结果显示明了，虚拟实验的直观性和明朗性有了较大的提高，论文 阐述的模拟电路实验案例能很好地满足了模拟电路实验的教学要求，得 到了老师们的肯定。论文还代码设计上实现了代码的可扩展性，给开发 人员带来了极大的方便。 基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 实虚拟实验虚拟仪器虚拟元件m v c u 北京邮电大学硕士论文基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 d e s i g na n di m p u m e n t l 0 no nv i r t u a i ， i n s t r u m e n tc o m p o n e n tl i b a r yb a s e do n 儿瓠乃t e c k n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n t si nv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g ya n dt h er a p i d p o p u l a r i z a t i o no fc o m p u t e rn e t w o r k s ，n e t w o r k b a s e dv i r t u a le x p e r i m e n t s a n ds t u d yt h ed e v e l o p m e n to fd i s t a n c ee d u c a t i o nr e s e a r c ha sah o ts p o t ，h a s b e e nt h ee d u c a t i o ns e c t o rm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h ea p p l i c a t i o no f v i r t u a l e x p e r i m e n ts y s t e mi nt e a c h i n gi s a g o o dw a yt op r o m o t e t h e i m p r o v e m e n to ft e a c h i n ga n dt e a c h i n gq u a l i t yi m p r o v e m e n t i nat r a d i t i o n a l a n a l o gc i r c u i t se x p e r i m e n t a lt e a c h i n g ，m a n ys c h o o l st h e r ea r ei n s u f f i c i e n t r e s o u r c e s ，h i g hi n v e s t m e n t ，l o wb e a rf r u i t ，e x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n ta n dt h e p r o c e s sh a sa c e r t a i nd e g r e eo fr i s ka n do t h e ri s s u e s ，w h i c hs e r i o u s l y a f f e c t e dt h es t u d e n t sm a s t e rt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g ea n de x p e r i m e n t a l s k i l l st oi m p r o v e v i r t u a le x p e r i m e n ts y s t e mp r e c i s e l yi no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e md e v e l o p e d i nt h et e a c h i n gp r o c e s so fv i r t u a le x p e r i m e n t ，w en e e dt os i m u l a t et h e f u n c t i o no fi n s t r u m e n t st h a tr e c o r dd a t ai nt h ec i r c u i t ，s u c ha sf u n c t i o n g e n e r a t o r , d i g i t a lo s c i l l o s c o p e ，v o l t o h mm e t e ra n ds oo n w ec a l l t h e s e i n s t r u m e n t s v i r t u a li n s t r u m e n t b o t hi no u rp r o j e c ta n di nt h i sp a p e r t h e a u t h o rr e a dl o t so fw o r k sa n df o u n dt h a tt h e s ep a p e r sa r ed i s c u s s i n gh o wt o u s et h e a l r e a d ye x i s t e ds o f t w a r e ，s u c ha sp s p i c e ，e l e c t r o n i cw o r k b e n c h ， q u c sa n ds oo n b u tt h es h o r t a g eo ft h e s es o f t w a r ei st h a tt h e yc a n n o tu s ei n t h en e t w o r ke d u c a t i o n t h e ya r ej u s tt h ea s s i s t a n tt o o l so fe d u c a t i o n n o to n l yt h i sp a p e rs i m u l a t et h eu s e ri n t e r f a c eo ft r u ei n s t r u m e n t s ，b u t a l s os i m u l a t e st h ef u n c t i o no ft h er e a li n s t r u m e n t s t h i sp r o j e c ta d o p t st h e i i i l i b r a r y t h i sl i b r a r yi st h eb a s i cc o m p o n e n te l e m e n to fv i r t u a li n s t r u m e n t s a n dav i r t u a li n s t r u m e n th a ss e v e r a l c o m p o n e n te l e m e n t s av i r t u a l i n s t r u m e n ti sc o m b i n e dw i t hs e v e r a ld i f f e r e n tc o m p o n e n t s t h i si st h ek e y p o i n to fi n n o v a t i o ni nt h i sp a p e lt h ev i r t u a li n s t r u m e n t sh a v ef r i e n d l yu s e r i n t e r f a c e ，w e l lp o s i t i o n e dt om e e tt h e t e a c h i n ga n a l o g c i r c u i tt e s t r e q u i r e m e n t s a l s ot h ea u t h o rc o m p l i e st h ee x t e n s i o no fc o d e st h a tm a k e s m u c hc o n v e n i e n c ew i t hp r o g r a m m e r s k e yw o r d s ： v i r t u a lr e a l i t yv i r t u a le x p e r i m e n t v i r t u a lc o m p o n e n tm v c d e s i g np a t t e r n i v v i r t u a li n s t r u m e n t 北京邮电大学硕士论文 基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 目录 摘要i a j j s i l t j d l j 【了i 1 i i 目j l 畏、0 r 第一章绪论1 1 1 虚拟实验室和虚拟仪器介绍1 1 2 虚拟实验室国内外研究现状2 1 3 虚拟仪器国内外研究现状3 1 3 1 虚拟仪器的概念3 1 3 2 虚拟仪器的研究。5 1 4 该论文的研究内容和技术路线6 1 4 1 该论文的研究内容和研究意义6 1 4 2 技术路线。8 1 5 论文结构安排。8 第二章相关技术介绍1 0 2 1 计算机仿真技术( c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 1 0 2 2j a v a 技术1 4 2 3j a v as w i n g 界面开发1 7 2 4 设计模式。1 8 第三章虚拟元件库的分析和设计2 2 3 1 虚拟元件库需求分析2 2 3 1 1 模拟电路典犁实验器材需求分析。2 2 3 1 2 仪器界面需求分析2 4 3 1 3 虚拟元件需求分析2 5 3 2 虚拟元件库概要设计2 6 3 2 1 虚拟元件设计2 6 3 2 2 控制器设计2 7 3 2 3 主要类和接 j 设计2 8 3 3 虚拟元件实现2 9 3 3 1 操作界面和控制器介绍2 9 3 3 2 代码介绍3 2 第四章组合虚拟元件的设计和实现3 5 4 1 虚拟仪器操作界面的设计和实现3 5 4 2 虚拟仪器的控制器的设计和实现3 5 4 3 虚拟仪器的模型设计和实现3 6 v 器元件库设计与实现 v i 北京邮电大学硕士论文基于j 越，a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 第一章绪论 1 1 虚拟实验室和虚拟仪器介绍 早在1 9 8 9 年美国弗吉尼亚大学( u n i v e r s i t yo f v i r g i n i a ) 的威廉沃尔夫( w i l l i a n w o l f ) 提出了虚拟实验室( v i r t u a ll a b o r a t o r y ) 的概念，它描述了一个计算机网络化的虚拟实 验环境【。联合国科教文组织( u n e s c o ) 于1 9 9 9 年5 月1 0 日至1 2 日在美国依阿华 州立大学召开的会议明确了关于“虚拟科学研究中心 和“虚拟研究实验室”可言 和教学模式的构想，此次会议将“虚拟实验室 定义为：以利用分散的信息和通信 技术来创造及获取成果为目的，在科研与其他创造性活动中进行远距离合作和实验 的一种电子协作组【2 1 。所谓“虚拟实验”【2 1 ，根据联合国教科文组织( u n e s c o ) 的定 义是指利用分散的信息和通信技术在科研和其它的创造性活动中进行远距离合作和 实验的一种电子协作过程。可见虚拟实验即利用信息通信技术实现的各种远程实验 环境下进行的实验，所取得的实验效果应当是与在真实环境中的实验效果一致。虚 拟实验室具有经济性、开放性、针对性、安全性等传统实验室无法比拟的特点，决 定了它在科研、教育中良好的应用前景。 虚拟实验室系统的开发可以有效克服实验仪器数量和质量的不足以及实验场 地、课时数的限制，使得更多的贵重仪器设备为更多的人共享，这样可以充分地利 用仪器资源，使有限的资金发挥更大的作用。虚拟实验室的建设对目前正在兴起的 远程教育具有重要的意义。 虚拟仪器的出现是测量仪器发展史上的一场革命。随着微电子技术、计算机技 术、软件技术、网络技术的高度发展和在测量与仪器上的应用以及测试的新理论、 新方法、新领域的发展导致了一种新型仪器虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的诞 生。它充分利用最新的计算机技术来实现和扩展仪器的功能；用计算机屏幕可以形 象、方便地模拟各种仪器的调控面板，以各种需要的形式表达输出检测结果；用计 算机软件实现大部分信号的分析和处理，完成各种调控和测试功能。“软件即是仪 器 ，在虚拟仪器系统中，软件发挥着核心作用，已有制，另外由于需要进行大量的 软件计算，可能造成较大的时延，此种情况下需要用传统的硬件仪器来代替。 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统。虚拟仪器的研究中 涉及的基础理论主要有计算机数据采集和数字信号处理。目前在这一领域内，使用 较为广泛的计算机语言是美国n l 公司的l a b v l e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n t a t i o n 北京邮电大学硕士论文基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 e n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 。 虚拟仪器技术是国内外在信息技术领域中重点发展的高新技术之一，我国也在 “高等学校中长期科学和技术发展规划 中将“在高校系统建设大型贵重仪器设备 的网络化共享系统”列为重点科研发展计划，与此同时，虚拟实验室的建设与开发， 能促使实验教学由实物教学向虚拟实验教学、远程虚拟实验教学发展，解决远程虚 拟实验教学资源短缺的团扰，因此在当前建立虚拟实验室具有重要的现实意义【2 l ： ( 1 ) 可降低科研成本和节省研究经费，并能够充分发挥现有仪器的作用，提高 使用效率，尤其是通过联网后实现贵重仪器的资源共享，避免了贵重仪器设备的重 复购置； ( 2 ) 实验内容确定后，通过调用不同的软件即可完成不同的实验，因而用户可 以自行选择实验仪器； ( 3 ) 突破了传统教学模式受时间、地点的限制，并且可以利用网络教育提高教 学效率； ( 4 ) 组建系统的效率高，由于硬件和软件的标准化、规范化，用户往往只需经 历一次组建工作。 1 2 虚拟实验室国内外研究现状 在国外虚拟实验室的研究始于上个世纪9 0 年代，其中重要的研究成果包括： 美国i l l i n o i s 大学的n m r s c o p e 系统。通过i n t e r n e t 研究人员在任何地方都能使 用i l l i n o i s 大学的仪器。如n m r i ( 核磁共振仪) 的使用，只要向该大学递交一个样品 之后，经过授权的研究人员就可以与服务器联机，服务器将显示出一张表率仪器设 置的表格和功能清单，通过点击屏幕上的按钮就可以进行实验，生成的图像将被传 回到研究人员的计算机屏拶引。 美国u c b 的m a s h 系统。该系统基于c s c w 和虚拟原型技术，成功地开发了 一个网络虚拟网络实验系统，为研究网络的性能及性能评价与工程设计提供了一个 良好的平台。该系统对世界范围内的网络研究已经产生巨大影响，并将继续发挥作 用。 由c e n t r a lf l o r i d a 大学建立的v s l ( v i a u a ls y s t e m sl a b o r a t o r y ，简称v s l l 虚拟 系统实验室。该虚拟实验室的研究目标旨在提高计算机图形的艺术表现力以及改进 仿真过程中的人机接口设计。目前，该实验室正在开展多项与虚拟实验相关的支撑 技术研究，已取得了大量的研究成果，如设计并开发了第一例实时虚拟环境、第一 例v r 3 d c a d 虚拟设计系统等。 2 北京邮电大学硕士论文基于j 越，a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 由j o h n sh o p k i n s 大学化学工程系建立的虚拟工程实验系统。该实验系统尚在建 设过程中，目前能够提供的实验项目如下：逻辑电路实验、扩展过程实验、石油勘 探实验、机器人手臂控制实验、桥梁设计实验、管道传热实验、树木测量实验、声 音传播实验等。 随着国外虚拟实验研究的迅速发展，国内的虚拟实验研究发展开始有了一定的 发展，许多大学和研究所都已经开始研究设计和提供远程虚拟实验项目。 北京大学计算机系设计的基于w e b 的网上虚拟实验室3 w n v l a b 是一个支持 大计算量和交互式的网上虚拟实验室的通用基本架构。该系统的用户平台采用j a v a 编写，用户通过界面选择实验种类，并将自己设计的实验通过i n t c r n c t 传送到服务 器端。服务器端是虚拟实验室的核心，用来完成客户端所提交的实验内容，并将实 验结果返回客户端。客户收到实验结果后，可评价自己的实验设计和实验技能 5 1 。 中国科学技术大学人工智能与计算机应用研究室研制出我国第一套虚拟现实教 学软件“几何光学实验设计平台 。该系统完成了光学虚拟实验室的设计，通过实验 所提供的一系列“虚拟 光学仪器，学生可以完成所有的单透镜实验和组合透镜实 验，并且提供了完整的文档和习题系统。他们研制的“大学物理仿真实验2 0f o r w m d o w s ，是国内第一套具有一定规模和水准的实验教学软件，该软件通过计算机 把实验设备、教学内容、教师指导和学生的操作有机地融合为一体，形成了一部活 的、可操作的物理实验教科书，可以达到培养动手能力，提高实验技能，深化物理 知识的目的，也大大增强了学生对物理实验的兴趣，提高了物理实验教学水平，是 物理实验教学改革的有力工具1 4 l 。 北京邮电大学网络教育技术研究所致力于网络虚拟实验软件的研究已经有七年 多工作了，目前成功研发出了电路分析基础虚拟实验系统、电路与信号虚拟实验系 统、数字电路与逻辑设计虚拟实验系统和中小学物理虚拟实验系统。这些虚拟实验 资源采用f l a s h 和h t m l 等技术开发，利于在网络上传播，可为学习者提供相关课 程的实验演示及功能操作等方面的训练。目前对计算机网络虚拟实验系统的研发工 作也已经完成并投入运行。 1 3 虚拟仪器国内外研究现状 1 3 1 虚拟仪器的概念 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，配合以相应的输入输出 接口，具有计算机显示器的虚拟面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪 3 北京邮电大学硕士论文基于j 舶技术的虚拟仪器元件库设计与实现 器系统。它是由测量仪器技术、计算机技术和总线技术共同孕育的一种全新仪器技 术。其突出特点是打破了传统仪器的封闭性，把仪器的绝大部分硬件变成计算机上的 文件；用户可以自行定义、自行设计、自行组建自己需要的仪器，并可将组建的多种 仪器存放在计算机的仪器库中，配以数据通讯卡和传感器，构成功能、性能、外观 和操作方式都和传统仪器相同或超过传统仪器功能的新型概念仪器系统。其实质就 是利用计算机强大的软件功能实现信号调理及数据的运算、分析和处理利用相应接 口设备来完成信号的采集、输入输出，从而完成各种仪器功斛4 1 。 虚拟仪器的起源可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，那时计算机测控系统在国防、航 天等领域已经有了相当的发展。p c 机出现以后，仪器级的计算机化成为可能，甚至 在m i c r o s o f t 公司的w i n d o w s 诞生之前，n i 公司已经在m a c i n t o s h 计算机上推出了 l a b v i e w 2 0 以前的版本。对虚拟仪器和l a b v i e w 长期、系统、有效的研究开发 使得该公司成为业界公认的权威1 7 1 。 l a b v l e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n g ) 是一种图形化的编程语言， 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器 控制软件。l a b v i e w 集成了与满足g p i b 、v x i 、r s - 2 3 2 和r s - 4 8 5 协议的硬件及 数据采集卡通讯的全部功能。它还内置了便于应用t c 咖、a c t i v e x 等软件标准的 库函数。这是一个功能强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器， 其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣。 黄进文在虚拟仪器新技术及其在我国的发展现状与展望中提出了虚拟仪器 与传统仪器的区别，提出了虚拟仪器的特点如下：( 1 ) 虚拟仪器具有可变性、多层性、 自创性的面板，而传统仪器的面板一经制造完成便不可更改；( 2 ) 虚拟仪器具有传统 仪器所无法比拟的强大信号处理能力。因为虚拟仪器可以充分利用计算机强大的软 件资源，对信号灵活地进行计算、分析、判断、处理、显示或输出等；( 3 ) 虚拟仪器 的功能、性能、指标由用户根据需要由软件来定义，而传统仪器一经设计、制造完 成后，就很难改变：( 4 ) 具有标准的、开放的、功能强大的接口总线、板卡及相应的 应用软件，为虚拟仪器的数据采集和接e 1 控制提供强大的支持；( 5 ) 虚拟仪器开放、 灵活，可与计算机同步发展，可灵活地与网络及其周边设备实现互联；( 6 ) 虚拟仪器 具有开发周期短、成本低、维护方便、易于集成应用的特点f 2 1 。 本文中的虚拟仪器是指除了电阻，电容，三极管，电感，二极管，场效应管等 这样的电子元件之外的用于计量和显示数据的仪器，包括：万用表，示波器，信号 发生器，数字直流电压表，数字直流电流表。是对真实仪器的一个仿真和模拟。 4 j 匕京邮电大学硕士论文基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 1 3 2 虚拟仪器的研究 虚拟仪器可以用于国防、航空航天、核物理、石油化工等领域，目前开发环境 主要有两类：一类是文本语言，如c 、c + + 、l a b w m d o w s c v l 等等；另一类是图形 语言，如n i 公司的l a b v i e w 和h p 公司的v e e 等等。由于图形语言开发的方便 性，受到了广大工程师的欢迎，一个在计算机语言方面没有很多经验的工程师也可 以在较短时间内掌握虚拟仪器开发的技术，并能应用到工程实践当中。 由于虚拟仪器具有以上各种优点，并且随着计算机硬件和信号处理箱等辅助设 备价格的下降以及计算能力的提高，虚拟仪器已经可以代替大部分电路电子学实验 设备，从而为虚拟实验室的开发提供了可能。随着校园网的普及，网络虚拟实验室 可以提供在线实验，一方面节省了大量的实验室、硬件、人员等支出，另一方面也 能有效管理实验进程。虚拟仪器也可以用在各种物理学和其他与信号观测和处理相 关的领域。 美国的斯坦福大学的机械系就要求三、四年级学生在实验时用虚拟仪器进行实 验的数据采集和实验控制。国内一些大学如清华大学、西安交通大学、华北电力大 学、东南大学、复旦大学、上海交通大学、暨南大学、华中科技大学、四川大学等 都成功的开设了虚拟仪器的相关课程并开发了一系列的虚拟仪器用于教学实验【3 】。 本文作者通过对关于模拟电路虚拟试验的设计和实现的文献的阅读，实现方法 总结归纳如下： ( 1 ) 利用f l a s h 技术 有的文章是基于f l a s h 技术的虚拟模拟电路实验场景：利用f l a s h 技术搭建 虚拟试验场景，将f l a s h 的s w f 文件嵌入到网页中去，用户登录w e b 进行试验， 后台通过电路仿真软件s p i c e 将c i r 文件进行仿真，得到输出o u t 文件，前后台 的数据通信是通过数据处理服务器实现，前后台通讯遵循统一的通讯协议，f l a s h 通过其对x m l s o c k e t 将数据封装成x m l 格式的文件，通过网络传输给数据处理服 务器，数据处理服务器将其x m l 文件通过统一的通信协议解析，转换成c i r 文件， 送给后台s p i c e 仿真服务器，s p i c e 服务器仿真后将其生成的o u t 文件，传输给 数据处理服务器，数据处理服务器按照通信协议转换成x m l 文件，通过前台的x m l s o c k e t 传输给前刨引。 ( 2 ) 利用e d a 技术 学生所做的实验先通过e d a 软件在计算机上设计、模拟验证，直至达到设计 的性能指标。通过运行计算机上的软件，把软件模拟的电路拓扑结构原样映射到智 5 北京邮电大学硕士论文基于j 越，a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 能插件板上，然后在智能插件板上插上组成测试电路的各种实际器件，传送一系列 控制操作指令实现实验电路的连通，通过虚拟仪器技术对电路进行测试和故障查询， 或使用各种实验仪器仪表来验证在计算机上模拟分析过的电路。学生可以根据实验 教学的需要，自由选择、灵活组态，使教学双方把实验的重点放在设计、调试和分 析上，既减少了接线时间而又不减少接线内容，因此可以获得良好的试验效果【5 1 。 张运良在虚拟实验室的虚拟仪器开发文章中以及李继容等在实验室中引 入虚拟仪器教学的研究中都是利用l a b v i e w 这个软件进行虚拟仪器的开发，并 不是自己设计软件进行虚拟仪器开发。赵新华在基于l a b v i e w 的远程虚拟仪器 技术论文中，编写了j a v a 语言的虚拟仪器前面板，该文章虽然使用了j a v a 技术， 但是是利用j a v a 技术来实现对远程虚拟仪器的通信，并非是用j a v a 技术实现虚 拟仪器，并且该文章中虚拟仪器仍然使用的是l a b v i e w 的虚拟仪器库。 张军等在基于动态数据交换及j a v a a p p l e t 技术实现实时w e b 虚拟仪器文 章中介绍了一种w e b 虚拟仪器的实现方法，该方法以l a b v i e w 7 0d d e 模块和j a v a 进行动态数据交换构成w e b 虚拟仪器的服务器，以j a v aa p p l e t 技术实现其客户端， 使用户可以在客户端不安装任何附加软件的条件下，使用浏览器即可以对远程仪器 实行实时监控。该文章中的虚拟仪器是直接使用的l a b v i e w 7 0 虚拟仪器库。 这些文章有的讨论过对模拟电路试验的设计，有的是对虚拟仪器进行研究，但 是这些设计没有具体如何实现的例子，尤其是信号发生设备的仿真和图形处理都没 有涉及，且大部分都是在分析如何使用一些现成的模拟电路软件，如p s p i c e ， e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ，o u c s ，但是这些软件不能运用网络实现网络教程。它们只能 是现实课程的辅助手段。有的软件如o u c s ，操作界面很不直接，结果显示也不是简 单明了，有种让用户摸不着头脑，不懂得如何操作的感觉。 1 4 该论文的研究内容和技术路线 1 4 1 该论文的研究内容和研究意义 随着我国教育事业的蓬勃发展，特别是远程教育的不断普及，如何加强远程实 验教学的应用日益成为当前远程教育的研究重点。模拟电路实验是高校理工科实践 性极强的一门基础课。这些课程的实验训练，使学生把课堂上所学的知识理论有效 地与实际应用联系起来，既能对理论知识验证，又能开拓学生的思维能力、动手能 力、分析和解决问题的能力。在这个过程中，实验起着举足轻重的作用。它作为一 个重要的实践教育环节，起着培养学生对电路的测试、分析、设计及应用开发能力 6 北京邮电大学硕士论文 ， 基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 的作用。 模拟电路虚拟实验系统是计算机仿真技术在教育领域的实践。它以现实世界中 真实的模拟电路系统为基本模型，通过使用多种计算机技术，在网络上构建虚拟的 实验环境。此系统的开发，将能够解决现实中师资，硬件，场地不足的问题，通过 计算机网络，为广大教育、培训机构提供良好的教学平台。 作者所在的虚拟实验室项目组也一直在研究虚拟实验，尤其针对虚拟仪器也没 有一个统一的虚拟仪器元件库，因此研究需要实现这样一个元件库，以达到迅捷开 发一个虚拟仪器，并且为了提高虚拟仪器在项目中的复用度。本文以虚拟实验室项 目组“模拟电路虚拟实验 这个项目的开发为例，实现了一个虚拟仪器元件库。该 虚拟仪器元件库在功能上必须与实际中的实验仪器的功能具有一致性。该项目是针 对大学专科、本科模拟电路实验课程配套开发的可在网上开展的虚拟实验，系 统模拟真实实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境，提供网上 实验管理功能。可满足高校和各类培训机构实验教学环节的需要，尤其适用于远程 教学。 作者负责创建模拟电路中使用的虚拟仪器，本文中的虚拟仪器是指除了电阻， 电容，三极管，电感，二极管，场效应管等这样的电子元件之外的用于计量和显示 数据的仪器，包括：万用表，示波器，信号发生器，数字直流电压表，数字直流电 流表。不仅要实现这些虚拟仪器从操作界面上的设计，操作界面即虚拟仪器的属性 栏；而且在功能上也实现与实际生活中的仪器功能的一致性。 设计上将虚拟仪器看作是一个个小元件的形式组合而成，这些小元件可以单独 作为某一个简单的虚拟仪器，也可以与其他元件组合成一个大的虚拟仪器。这些小 的元件组成虚拟仪器元件库。在模拟电路虚拟试验中，使用的虚拟仪器虚包括万用 表，示波器，信号发生器，数字直流电压表，数字直流电流表等，从这些虚拟仪器 分离出来的单元组件有：量程选择按钮，旋钮，开关，数字显示屏，图形显示屏， 指针。可以将虚拟仪器的界面看成是由这些基本元件组合而成，而这些最基本的单 元组件组成了虚拟仪器元件库。比如数字直流电压表是由一个底板，一个开关，若 干个量程选择按钮，一个数字显示屏组合而成的。在功能上，是由一个组合控制器 来对这些基本的元件进行控制的，以达到组合后的虚拟仪器功能上的实现。并且将 这个虚拟仪器放到模拟电路中去，能够与电路中其他的设备正确传递和接受数据， 完成一个真实的仪器所达到的所有功能。这样实现的虚拟元件有很好的扩展功能。 也就是说这个虚拟仪器元件库不仅可以应用在模拟电路虚拟实验中，而且还可以用 于电子电路虚拟实验中，并且该虚拟元件库还可以根据需求添加其他元件，并且可 北京邮电大学硕士论文基于j a 、，a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 以根据需求实现另外一些组合元件。 1 4 2 技术路线 模拟电路虚拟实验系统通过尽量真实地模拟现实客观事物，让使用者具有身临 其境的感觉，提高学习实践的兴趣。系统充分发挥虚实结合的优势，提供虚拟仪器， 满足实验需要，解决了实际不具备硬件条件或网络环境的问题。 模拟电路虚拟实验在w i n d o w s 平台上采用面向对象的j a v a 技术，j a v a 2 d 作为 底层绘制技术，开发工具采用开源工具e c l i p s e ，最终开发成a p p l e t 能够运行在 w i n d o w s 上的l e 浏览器以及l i n u x 上的m o z i l l a 浏览器上。虚拟仪器元件库是模拟 电路虚拟实验中最重要的一个模块。 虚拟元件库的设计采用面向对象的语言j a v a ，总体使用m v c 的设计模式， 创建基本的虚拟仪器元件。j a v a 技术的安全、可移植性、安全性让我们项目组采 用这种语言。总体设计主要采用m v c 机制，即数据、视图、控制器。三者之间相 互联系又保证足够松的耦合。其中数据丰要用来记录数据和实现一些与操作没有过 多关系的功能函数，负责提供具体的数据操作接口和算法的功能实现以及处理控制 器不能处理的信息；视图负责绘制，提供给用户绘制的接口，并用来表示器材以及 各种操作在外观产生的影响；控制器主要负责处理鼠标以及键盘的输入消息，同时 调用数据和视图提供的接口来修改具体的数据和绘制信息。 本系统采用j a v a 2 d 技术作绘制模块的底层接口，利用双缓冲机制技术，即将所 有要绘制的信息在后台准备好，然后再交由前台显示，这样避免了屏幕的闪烁感， 同时利用纹理技术，提高系统的绘制速度以及运行性能。 系统通过尽量真实地模拟显示客观事物，让使用者具有身临其境的感觉，提高 学习实践的兴趣。用户在使用系统搭建任何电路类型，系统应该能智能判断是何电 路类型，并采用相应的分析方法进行分析。 1 5 论文结构安排 本文第一章为绪论，介绍了虚拟实验室和虚拟仪器的概念，在分析国内外研究 现状的基础上提出了本论文的现实意义级技术路线。 第二章是对相关技术的介绍，包括计算机仿真技术的介绍，该论文的开发语言 j a v a 技术的介绍，技术中使用的设计模式的介绍，j a v as w i n g 界面开发的介绍。 第三章详细介绍了本项目的需求分析，主要介绍了单个虚拟元件及其控制器的 8 第四章主要介绍了组合虚拟元件及其控制器的设计和实现，并给了两个具体虚 拟仪器的例子介绍和其他虚拟仪器操作界面的展示。 第五章介绍了组合虚拟仪器在虚拟实验中的集成，主要包括虚拟仪器放入电路 之后的翻译和仪器与电路的数据的传递从而保证虚拟仪器功能上的实现，虚拟仪器 的保存和还原。 在第六章，作者给出了一个虚拟仪器设计的改进方案，即用x m l 文件来存储 虚拟仪器。三四章的设计只是针对有编程经验的程序员来设计的，需要开发的用户 具备编程开发经验。而该改进方案的设计主要是针对普通用户，不具备编程经验的 用户只要遵守一定的x m l 文件格式就可以而参与设计和编辑虚拟仪器。作者给出 了一个能达到与用户交互的目的设计方案。 第七章总结了文章取得的成果和创新点，同时对下一步改进工作提出了建议。 9 北京邮电大学硕士论文基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 第二章相关技术介绍 2 1 计算机仿真技术( c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ) 计算机仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并 在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受 环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、 培训系统( 尤其是复杂系统) 的重要工具。 仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验， 从中得到满足需要的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。 仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真 是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层 次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。 仿真型实验采用计算机技术、仿真技术等构建虚拟实验环境、虚拟仪器和设备 的方法，提供一种仿真的实验环境。虚拟实验是通过鼠标点击、拖动，将计算机上 虚拟的各种仪器，按实验要求、过程组装成一套完整的实验系统，同时在这个系统 上完成整个实验，包括器材的添加、实验条件的改变、数据采集以及实验结果的模 拟。 计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具， 利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，通过虚拟试验的方法来分 析和解决问题，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术，它具 有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，己成为分析、 设计、运行、评价、培训系统( 尤其是复杂系统) 的重要工具。 随着计算机技术的发展，仿真技术也得到迅速的发展，其应用领域及其作用也 越来越大。计算机仿真，也称模拟，早期被称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数 实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1 7 7 3 年法国自然学家g l l b u f f o n 为估 计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机 仿真大致经历了模拟机仿真、模拟数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。2 0 世纪5 0 年代计算机仿真主要采用模拟机；6 0 年代后串行处理数字机逐渐应用到仿 真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了7 0 年代 模拟一数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研 1 0 北京邮电大学硕士论文基于j a v a 技术的虚拟仪器元件库设计与实现 究领域；8 0 年代后，由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。 现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管 理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用【6 】。 计算机仿真技术的应用越来越广，主要体现在以下两个方面： ( 1 ) 网络化仿真 现在已有的仿真系统，多数不能相互兼容，可移植性也较差，很难实现共享和 实时。较之于开发的高成本和长时间，是物未尽其用。解决这些问题，第一就是采 用兼容性好的计算机语言编写仿真系统，第二就是采用网络化技术实现仿真系统共 享。尤其是后者，在将来的仿真系统开发中有着重要地位。实现仿真系统的网络共 享，既可以在一定程度上避免重复开发以节约社会资源，又可以通过适当收费以补 偿部分开发成本。 ( 2 ) 虚拟制造技术 虚拟制造技术是计算机仿真技术发展的另一大深入应用。虚拟制造技术是2 0